KR20170080876A - 충돌성능이 향상된 자동차용 범퍼빔, 이의 제조방법 및 범퍼 시스템 - Google Patents

충돌성능이 향상된 자동차용 범퍼빔, 이의 제조방법 및 범퍼 시스템 Download PDF

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Abstract

곡률을 갖고, 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하고, 상기 빔본체는 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 형성된 섬유적층체를 포함하며, 상기 섬유적층체는 1층 이상의 0°방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90°방향 유리섬유층이 교호적층된 것인 자동차용 범퍼빔, 이의 제조방법 및 상기 범퍼빔을 포함하는 범퍼 시스템에 관한 것이다. 이를 통해, 본 발명은 충돌에너지를 크래쉬 박스로 전달하는 능력이 우수할 뿐만 아니라, 충격에너지 흡수능이 우수하고, 크랙 및 끊어짐 방지 효과가 매우 우수하며, RCAR 배리어 테스트 등의 안전성 검사도 우수한 수준으로 만족시킬 수 있는 범퍼빔을 제공할 수 있다.

Description

충돌성능이 향상된 자동차용 범퍼빔, 이의 제조방법 및 범퍼 시스템{BUMPER BEAM FOR VEHICLE WITH ENHANCED CRASH CAPABILITY, METHOD OF MANUFACTURING THEREOF AND BUMPER SYSTEM}
본 발명은 충돌성능이 향상된 자동차용 범퍼빔, 이의 제조방법 및 상기 범퍼빔을 포함하는 자동차용 범퍼 시스템에 관한 것이다.
자동차에 대한 연비 규정은 점차 강화되는 추세에 있다. 연비를 향상시키기 위한 방법의 하나는 차체를 경량화하는 것이다. 차체에 주로 사용되는 스틸 소재를 강화 열가소성 플라스틱(Glass Mat Reinforced Thermoplastic) 소재로 대체할 경우, 높은 강도 및 우수한 경량성을 확보하면서도, 스틸 소재보다 우수한 탄성력을 구현할 수 있다. 또한, 이와 더불어 차체 자체의 구조 및 형상을 통해 더욱 우수한 강도를 구현하고자 하는 연구가 증가하고 있다.
자동차용 범퍼 시스템은 자동차의 전방 및 후방에 장착되는 차체로서, 충돌 시 탄성 변형하여 자동차의 물리적인 손상을 최소화하는 장치이다. 또한, 충돌 시 발생하는 충격을 흡수하여 탑승자의 안전을 도모한다.
일반적으로, 자동차용 범퍼 시스템은 차량의 외관에 드러나는 범퍼 커버, 충격완화장치(에너지 옵소버) 및 범퍼빔 등으로 구성된다. 자동차 충돌 시 범퍼커버로부터 전달된 충격은 에너지 업소버에서 탄성적으로 흡수된 후, 범퍼빔에 의해 차단된다. 이를 통해 범퍼 시스템은 차체의 변형을 최소화시키고, 탑승자의 안전을 확보하게 된다. 이와 같은 범퍼 시스템 중에서도 범퍼빔은 외부충격을 흡수하는데 가장 중요한 역할을 수행한다.
범퍼빔은 차체에 전달되는 충격에너지를 최대한 분산 및 흡수하여 탑승자를 보호할 수 있어야 하기 때문에, 세계의 각국에서는 이에 대한 규정을 더욱 강화하고 있다. 예를 들면, 유럽시장의 경우 범퍼빔은 ECE R42 테스트, 풀 배리어(Full Barrier) 테스트 및 RCAR 배리어 테스트 등을 만족시킬 것이 요구되고 있어, 이를 만족시키기 위한 범퍼빔 및 범퍼 시스템에 대한 기술개발의 필요성이 증가하고 있다.
본 발명의 목적은 충돌에너지를 크래쉬 박스로 전달하는 능력이 우수할 뿐만 아니라, 충격에너지 흡수능이 우수하고, 크랙 및 끊어짐 방지 효과가 매우 우수하며, RCAR 배리어 테스트 등의 충돌성능 및 안전성 검사도 우수한 수준으로 만족시킬 수 있는 범퍼빔, 이의 제조방법 및 상기 범퍼빔을 포함하는 범퍼 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 곡률을 갖고, 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하고, 상기 빔본체는 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 형성된 섬유적층체를 포함하며, 상기 섬유적층체는 1층 이상의 0°방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90°방향 유리섬유층이 교호적층된 것인 자동차용 범퍼빔에 관한 것이다.
상기 탄소섬유층 또는 유리섬유층은 일방향으로 배열된 섬유에 매트릭스 수지가 예비함침 또는 코팅된 프리프레그이고, 상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 중 1종 이상을 포함하는 것 일 수 있다.
상기 프리프레그는 매트릭스 수지 20 중량% 내지 50 중량% 및 탄소섬유 또는 유리섬유 50 중량% 내지 80 중량%를 포함하고, 하나의 프리프레그의 두께는 0.15 mm 내지 0.50 mm 일 수 있다.
상기 섬유적층체는 양면 최외층이 모두 탄소섬유층으로 이루어진 것일 수 있다.
상기 섬유적층체는 두께가 1.5 mm 초과 내지 7 mm 이하인 것일 수 있다.
상기 범퍼빔은 상기 빔본체의 길이방향 양단부에 크래쉬 박스 설치용 부재가 형성된 것일 수 있다.
상기 크래쉬 박스 설치용 부재는 상측 및 하측에 곡률의 내측방향으로 돌출된 플랜지가 구비된 것일 수 있다.
상기 크래쉬 박스 설치용 부재는 상기 빔본체와 대응되는 곡률을 갖고, 상기 크래쉬 박스 설치용 부재의 내측 또는 외측 표면에 돌출되는 리브(rib)를 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 범퍼빔; 상기 범퍼빔의 양단부에 마운팅되는 크래쉬 박스; 상기 범퍼빔의 전방에 구비되는 에너지 업소버; 및 상기 범퍼빔의 양측 후방에 설치되어 범퍼 시스템을 차체 프레임에 고정하는 스테이; 를 포함하는 자동차용 범퍼 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 곡률 가공되어 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하는 범퍼빔을 준비하는 단계; 및 상기 빔본체의 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 1층 이상의 0˚방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90˚방향 유리섬유층을 포함하는 섬유적층체를 프레스 접착하는 단계; 를 포함하는 자동차용 범퍼빔 제조 방법에 관한 것이다.
상기 프레스 접착하는 단계는 하나의 0˚방향 탄소섬유층의 일면에 90˚방향 유리섬유층 및 다른 0˚방향 탄소섬유층을 교호적층하는 것을 1회 이상 반복하여, 양면 최외층에 모두 0˚방향 탄소섬유층이 형성된 섬유적층체를 제조하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 충돌에너지를 크래쉬 박스로 전달하는 능력이 우수할 뿐만 아니라, 충격에너지 흡수능이 우수하고, 크랙 및 끊어짐 방지 효과가 매우 우수하며, RCAR 배리어 테스트 등의 충돌성능 및 안전성 검사도 우수한 수준으로 만족시킬 수 있는 범퍼빔, 이의 제조방법 및 상기 범퍼빔을 포함하는 범퍼 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 범퍼빔의 사시도이다.
도 2는 본 발명 일 실시예의 빔본체의 단면도이다.
도 3은 본 발명 일 실시예의 섬유적층체의 구조도이다.
도 4는 본 발명 일 실시예의 크래쉬 박스 설치용 부재의 단면도이다.
도 5는 본 발명 일 실시예의 범퍼빔의 평면도이다.
도 6은 본 발명 일 실시예의 범퍼 시스템을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명 실시예 1의 RCAR TEST 후 결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명 실시예 1의 RCAR TEST 후 범퍼빔을 나타낸 사진이다.
도 9은 본 발명 비교예 1의 RCAR TEST 후 결과를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명 비교예 2의 RCAR TEST 후 범퍼빔을 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명 비교예 3의 RCAR TEST 후 범퍼빔을 나타낸 사진이다.
본 명세서에서는 첨부도면을 참고하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 단지 본 명세서에서 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 일 구현예는 곡률을 갖고, 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하고, 상기 빔본체는 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 프레스 접착된 섬유적층체를 포함하며, 상기 섬유적층체는 1층 이상의 0°방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90°방향 유리섬유층이 교호적층된 것인 자동차용 범퍼빔에 관한 것이다.
이를 통해, 본 발명은 충돌에너지를 크래쉬 박스로 전달하는 능력이 우수할 뿐만 아니라, 충격에너지 흡수능이 우수하고, 크랙 및 끊어짐 방지 효과가 매우 우수하며, RCAR 배리어 테스트 등의 충돌성능 및 안전성 검사도 우수한 수준으로 만족시킬 수 있는 범퍼빔을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 "길이방향"은 범퍼빔이 차량에 적용되는 경우와 같이 전면 또는 후면을 향해 배향된 상태를 기준으로, 길이가 가장 긴 방향을 의미하며, 구체적으로 차량의 차폭방향을 의미한다.
본 명세서에서 "높이방향"은 범퍼빔이 차량에 적용되는 경우와 같이 전면 또는 후면을 향해 배향된 상태를 기준으로 차량의 높이방향을 의미한다.
본 명세서에서 "내측방향"은 범퍼빔이 차량에 적용되는 경우와 같이 전면 또는 후면을 향해 배향된 상태를 기준으로 차량의 외부로부터 차량의 중심부로 향하는 방향을 의미한다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 범퍼빔(10)의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명 일 실시예의 범퍼빔(10)은 곡률을 갖는 형상으로 가공되며, 곡률의 내측(IN)으로 개방된 형태의 강화 열가소성 플라스틱(GMT, Glass Mat Reinforced Thermoplastic) 빔본체(100)를 포함한다. 또한, 상기 범퍼빔(10)은 상기 빔본체(100)의 0˚방향 양단부에 형성된 크래쉬 박스 설치용 부재(200)를 더 포함할 수 있다. 상기 크래쉬 박스 설치용 부재(200)는 크래쉬 박스(미도시)를 마운팅시키는 역할을 한다. 이때, 0˚방향은 빔본체(100)의 길이방향을 의미한다.
도 2는 일 실시예의 빔본체(100)의 단면도이다. 상기 도 2는 범퍼빔 외측으로부터 내측(IN)으로 이어지는 방향을 잇는 선을 절단면으로 하는 측단면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 빔본체(100)는 단면이 곡률의 내측(IN)으로 개방된 'ㄷ' 형상을 갖는다. 이를 통해 빔본체는 크래쉬 박스에 우수한 효율로 충돌 에너지를 전달하며, 동시에 범퍼빔 자체에 우수한 충격에너지 분산 효과를 부여한다.
상기 빔본체(100)는 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측(IN)에 프레스 접착된 섬유적층체(110)를 포함한다. 이를 통해, 범퍼빔은 빔본체의 외측(곡률의 외측) 또는 빔본체의 중앙에 섬유를 포함하는 경우보다 현저하게 우수한 크랙 방지효과 또는 끊어짐 방지효과를 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 섬유적층체는 빔본체에 내측에 부착됨으로써 빔본체의 곡률과 복합적으로 작용하여, 곡률의 내측으로 전달되는 충격에 저항하는 탄성이 섬유적층체가 곡률의 외측에 부착되는 경우보다 향상될 수 있다. 또한, 상기 섬유적층체는 빔본체에 내측에 부착됨으로써 빔본체의 형상변화 또는 파괴 등에 의한 영향으로부터 자유로워, 빔본체의 중앙에 섬유가 포함되는 경우보다 충격분산 효과 및 충격흡수 효과가 더욱 우수하다.
또한, 상기 도 2에서 빔본체(100)가 차량에 적용되는 경우와 같이 전면으로 배향된 상태를 기준으로, 0˚방향은 빔본체(100)의 길이방향, 90˚방향은 빔본체(100)의 높이방향, D 방향은 빔본체(100) 두께방향을 의미한다.
도 3은 본 발명 일 실시예의 섬유적층체(110)의 구조도이다. 도 3을 참조하면, 상기 섬유적층체(110)는 1층 이상의 0˚방향 탄소섬유층(101, 101', 101") 및 1층 이상의 90˚방향 유리섬유층(102, 102')이 적층된 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 섬유적층체(110)는 빔본체로부터 전달받는 충격에너지를 0˚방향 및 90˚방향으로 동시에 분산시킬 수 있어, 충격흡수효과가 더욱 우수하다. 또한, 경량화 정도에 대한 충격흡수능 효율이 더욱 우수하다.
상기 각각의 탄소섬유층(101, 101', 101") 또는 유리섬유층(102, 102')은 일방향으로 배열된 섬유에 매트릭스 수지가 예비함침 또는 코팅된 프리프레그일 수 있다. 이러한 경우, 섬유적층체는 용이한 성형성을 갖는 동시에 충격흡수능이 더욱 우수할 수 있다.
상기 매트릭스 수지는 프리프레그에 사용되는 수지라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 매트릭스 수지는 예를 들면, 에폭시 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 중 1종 이상을 포함하는 것 일 수 있다. 이러한 경우, 섬유적층체에 의한 범퍼빔의 충돌성능이 더욱 향상될 수 있다.
일 구체예에서, 폴리프로필렌 수지를 매트릭스 수지로 사용하는 경우, 프리프레그의 탄성 및 내충격성이 더욱 향상되면서, 범퍼빔의 크랙을 방지 효과가 더욱 우수할 수 있다.
상기 프리프레그는 예를 들면, 매트릭스 수지 20 중량% 내지 50 중량% 및 탄소섬유 또는 유리섬유 50 중량% 내지 80 중량%를 포함할 수 있다. 상기 범위에서, 경량화 정도에 대한 충격흡수능을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 하나의 프리프레그의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 구체적으로 0.15 mm 내지 0.50 mm, 더욱 구체적으로 0.25 mm 내지 0.30 mm일 수 있다. 상기 범위에서, 섬유적층체로 제조하였을 경우 탄성력 및 내충격성이 우수하면서도 유연성을 유지하여 범퍼빔의 크랙 방지 효과를 더욱 향상 시킬 수 있다.
상기 탄소섬유 또는 유리섬유는 예를 들면, 얀(yarn) 또는 화이버(fiber)일 수 있으며, 하나의 섬유단면은 예를 들면, 장직경이 5 mm 내지 12 mm이고, 단직경이 0.1 mm 내지 0.3 mm 이며, 종횡비가 1:1 내지 1:120 일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 탄소섬유 또는 유리섬유는 장직경이 8 mm 내지 10 mm이고, 단직경이 0.15 mm 내지 0.25mm 이며, 종횡비가 1:30 내지 1:70 일 수 있다. 상기 범위 내에서, 섬유적층체는 범퍼빔의 크랙 및 끊어짐을 방지하는 효과가 더욱 우수하면서도, 충격흡수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 탄소섬유는 예를 들면, 입경이 5㎛ 내지 10㎛인 탄소원사 10,000 가닥 내지 15,000 가닥을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 크랙방지성이 더욱 우수할 수 있다.
상기 유리섬유는 예를 들면, 입경이 15㎛ 내지 20㎛인 유리원사 3,000 가닥 내지 6,000 가닥을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 내충격성이 더욱 우수할 수 있다.
일 구체예에서, 섬유적층체(110)는 하나의 0˚방향 탄소섬유층의 일면(101)에 1층 이상의 90˚방향 유리섬유층(102, 102') 및 1층 이상의 다른 0˚방향 탄소섬유층(101', 101")이 순서대로 교호적층된 것일 수 있다. 이러한 경우, 상기 섬유적층체(110)는 양면 최외층(101, 101")에 모두 0˚방향 탄소섬유층이 형성된 섬유적층체(110)를 포함할 수 있다.
상기 교호적층이란 1층의 0˚방향 탄소섬유층과 1층의 90˚방향 유리섬유층이 교대로 적층되는 것을 의미한다. 예를 들면, 상기 프레스 접착하는 단계는 하나의 0˚방향 탄소섬유층의 일면에 90˚방향 유리섬유층 및 다른 0˚방향 탄소섬유층을 교호적층하는 것을 1회 이상 반복하여 소정의 두께(D)를 달성할 수 있다.
본 명세서에서, "0˚방향 탄소섬유층"은 복수개의 탄소섬유(fiber) 또는 탄소원사(yarn)가 0˚방향으로 배열된 섬유층을 의미한다. 이때의 섬유층이란 상기의 섬유 또는 원사가 배열되어 이루는 일정 두께의 층을 의미하는 것이며, 두께 내에서 섬유 또는 원사가 겹쳐진 수를 의미하지 않는다. 다시 말해, 1층의 섬유층은 섬유 또는 원사가 한겹 또는 여러 겹으로 배치될 수 있다.
본 명세서에서, "90˚방향 유리섬유층"은 복수개의 유리섬유(fiber) 또는 탄소원사(yarn)가 90˚방향으로 배열된 섬유층을 의미한다. 이때의 섬유층이란 상기의 섬유 또는 원사가 배열되어 이루는 일정 두께의 층을 의미하는 것이며, 두께 내에서 섬유 또는 원사가 겹쳐진 수를 의미하지 않는다. 다시 말해, 1층의 섬유층은 섬유 또는 원사가 한겹 또는 여러 겹으로 배치될 수 있다.
상기 섬유적층체(110)는 양면 최외층(101, 101")이 모두 0˚방향 탄소섬유층으로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 상기 섬유적층체는 프레스 접착방식만으로도 빔본체에 우수한 접착력으로 부착될 수 있다. 그뿐만 아니라, 상기 섬유적층체는 양면 최외층이 모두 0˚방향 탄소섬유층(101, 101")이며, 내부에 90˚방향 유리섬유층(102, 102')을 포함하는 샌드위치 형태의 적층 구조를 갖게 되어, 범퍼빔의 0˚방향 탄성력을 증대시킬 수 있다. 이를 통해, 범퍼빔에 크랙 및 끊어짐이 발생하는 것을 방지한다.
상기 섬유적층체(110)는 두께(D)가 1.5 mm 초과 내지 7 mm 이하인 것 일 수 있다. 상기 범위에서, 섬유적층체의 충격흡수능 및 범퍼빔의 크랙 및 끊어짐 방지효과가 더욱 우수할 수 있다. 이와 같은 섬유적층체의 두께(D)는 0˚방향 탄소섬유층(101) 및 90˚방향 유리섬유층(102)을 순서대로 교호적층하는 것을 수회 반복하여 달성될 수 있다. 상기 섬유적층체의 두께(D)는 예를 들면, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm 또는 7 mm일 수 있다. 상기 범위에서, 섬유적층체가 빔본체에 프레스접착된 상태에서도 빔본체와 별개로 작용하여 범퍼빔에 더욱 우수한 충격흡수 효과 및 끊어짐 방지효과를 부가할 수 있다.
상기 범퍼빔(10)은 도 1을 통해 설명한 바와 같이 상기 빔본체(100)의 0˚방향 양단부에 형성된 크래쉬 박스 설치용 부재(200)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명 일 실시예의 크래쉬 박스 설치용 부재(200)의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 크래쉬 박스 설치용 부재는 상측 및 하측에 곡률의 내측방향으로 돌출된 플랜지(201)가 구비된 것일 수 있다. 상기 플랜지는 상기 크래쉬 박스 설치용 부재에 일체형으로 형성되어, 빔본체와 같이 단면이 곡률의 내측(IN)으로 개방된 'ㄷ' 형상을 가질 수 있다. 이를 통해, 상기 크래쉬 박스 설치용 부재는 크래쉬 박스를 마운팅하는 역할뿐 아니라, 충돌에너지를 크래쉬 박스에 효과적으로 전달하는 역할도 수행할 수 있다.
상기 플랜지(201)는 차량의 중량에 따라 그 길이 및 너비가 가변 되도록 설계될 수 있다. 이와 같이 차량 중량에 맞게 차량별로 플랜지(201)의 길이를 달리함으로써 차종 및 중량이 달라지는 충돌에너지를 충분하고 원활하게 흡수 전달할 수 있다. 예를 들면 상기 플랜지(201)는 중량이 무거운 차량에 적용하는 것을 목적으로 할 경우, 그 길이 및 너비를 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 경우, 범퍼빔의 충돌성능이 더욱 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명 일 실시예의 범퍼빔의 평면도이다. 도 5 및 전술한 도 4를 참조하면, 상기 크래쉬 박스 설치용 부재(200)는 상기 빔본체와 대응되는 곡률을 갖고, 상기 크래쉬 박스 설치용 부재의 내측 또는 외측 표면에 돌출되는 리브(rib)(203, 202)를 하나 이상 더 포함할 수 있다. 상기 리브는 충돌 시 상기 크래쉬 박스 설치부의 파단이나 변형을 최소화시키고 받은 충돌에너지를 곧바로 크래쉬 박스로 전달하는데 용이한 구조적 특성을 구현하게 된다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 범퍼빔; 상기 범퍼빔의 양단부에 마운팅되는 크래쉬 박스; 상기 범퍼빔의 전방에 구비되는 에너지 업소버; 및 상기 범퍼빔의 양측 후방에 설치되어 범퍼 시스템을 차체 프레임에 고정하는 스테이; 를 포함하는 자동차용 범퍼 시스템에 관한 것이다.
도 6은 본 발명 일 실시예의 범퍼 시스템을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예의 범퍼 시스템은 전술한 본 발명의 범퍼빔(10) 및 범퍼빔(10)의 전방에 구비된 상기 범퍼빔의 충격에너지의 흡수를 위한 에너지 업소버(30), 상기 범퍼빔(10)의 양단부 또는 상기 범퍼빔 양단부의 크래쉬 박스 설치용 부재에 마운팅되는 크래쉬 박스(20) 및 범퍼 시스템을 차체 프레임에 고정하는 스테이(40)를 포함한다. 또한, 1차적으로 외부충격을 흡수하고, 자동차의 외관과 범퍼 시스템의 외관을 일체화시키는 범퍼커버(50)를 추가로 포함할 수 있다.
예를 들면, 충돌 테스트 또는 사고에 의한 자동차의 충돌 시 범퍼커버(50)로부터 전달된 충격은 가장 먼저 에너지 업소버(30)에서 탄성적으로 흡수된 후 다음 강성을 갖는 범퍼빔(10) 및 이와 연결된 크래쉬 박스(20)에 의해 분산 및 흡수되어 차단된다. 이를 통해 차체의 변형이 최소화 되고 탑승자의 안전이 확보된다.
본 발명의 또 다른 구현예는 곡률 가공되어 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하는 범퍼빔을 준비하는 단계; 및 상기 빔본체의 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 1층 이상의 0˚방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90˚방향 유리섬유층을 포함하는 섬유적층체를 프레스 접착하는 단계; 를 포함하는 자동차용 범퍼빔 제조 방법에 관한 것이다.
상기 범퍼빔을 준비하는 단계는 크래쉬 박스 설치용 부재가 상기 빔본체의 0˚방향 양단부에 일체형으로 구비되도록 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 프레스 접착하는 단계에서, 프레스 방식은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 프레스 접착하는 단계는 유리섬유 강화 열가소성 수지 소재(GMT)인 본 발명의 범퍼빔 및 전술한 섬유적층체를 준비한 후, 이들을 가열하면서 프레스하여 접착하는 것 일 수 있다. 이때, 가열 온도는 범퍼빔과 섬유적층체의 접착정도를 고려하여 적당한 범위로 조절될 수 있다.
상기 프레스 접착하는 단계에서, 섬유적층체는 범퍼빔에 과도하게 함침되지 않도록 하며, 예를 들면, 범퍼빔 내측으로 드러난 섬유적층체의 두께가 1.5mm 초과 내지 7mm 정도가 되도록 조절할 수 있다. 상기 범위에서, 범퍼빔의 크랙 방지 효과 및 끊어짐 방지효과가 더욱 우수할 수 있다.
상기 프레스 접착하는 단계는 하나의 0˚방향 탄소섬유층의 일면에 1층 이상의 90˚방향 유리섬유층 및 1층 이상의 다른 0˚방향 탄소섬유층을 교호적층하여, 양면 최외층에 모두 0˚방향 탄소섬유층이 형성된 섬유적층체를 제조하는 것을 포함할 수 있다.
상기 교호적층이란 1층의 0˚방향 탄소섬유층과 1층의 90˚방향 유리섬유층이 교대로 적층되는 것을 의미한다. 예를 들면, 상기 프레스 접착하는 단계는 하나의 0˚방향 탄소섬유층의 일면에 90˚방향 유리섬유층 및 다른 0˚방향 탄소섬유층을 교호적층하는 것을 1회 이상 반복하여, 양면 최외층에 모두 0˚방향 탄소섬유층이 형성된 섬유적층체를 제조하는 것을 포함할 수 있다.
상기 라미네이션 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 적층은 라미네이션하는 것을 포함할 수 있다. 이를 통해, 섬유적층체의 충격흡수능을 높이면서도, 내구성 및 탄성력을 더욱 향상시킬 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
이하에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1
양단부에 일체형으로 형성된 크래쉬 박스 설치용 부재를 포함하고, 곡률을 가지며 상기 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 강화 열가소성 플라스틱(GMT) 빔본체를 준비하였다. 상기 빔본체의 개방부 내측에 0˚방향 탄소섬유층 및 90˚방향 유리섬유층이 교호적층된 구조이고, 양면 최외각 층이 0˚방향 탄소섬유층으로 라미네이트된 두께 5mm의 섬유적층체를 프레스 접착하여 자동차용 범퍼빔을 제조하였다.
이때, 상기 섬유적층체는 유리섬유층으로 입경이 17㎛인 가닥, 평균 4,000 내지 5,000 가닥을 포함하는 유리섬유(단직경: 0.15m~0.25mm, 장직경: 8~10mm)가 호모폴리프로필렌 수지에 함침된 유리섬유(G-ROD) 프리프레그를 포함하고, 탄소섬유층으로 입경이 7㎛인 가닥, 평균 12,000 가닥을 포함하는 탄소섬유(단직경: 0.15m~0.25mm, 장직경: 8~10mm)가 호모폴리프로필렌 수지에 함침된 탄소섬유(C-ROD) 프리프레그를 포함하였다.
비교예 1
범퍼빔의 빔본체가 섬유적층체를 포함하지 않는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차용 범퍼빔을 제조하였다.
비교예 2
섬유적층체를 범퍼빔의 빔본체의 곡률 외측에 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차용 범퍼빔을 제조하였다.
비교예 3
섬유적층체가 범퍼빔의 빔본체 제조 시, 강화 열가소성 수지(GMT)에 함침되어 빔본체 중앙에 형성된 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차용 범퍼빔을 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1의 차량용 범퍼빔을 실험용 차량에 설치한 후 RCAR 배리어 테스트를 실시하였다. 결과는 하기 표 1 내었다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
섬유적층체 유무 ○ Ｘ ○ ○
섬유적층체 위치 곡률 내측 - 곡률 외측 빔본체 중앙
범퍼빔
크랙 발생여부		 Ｘ ○ ○ ○
RCAR 배리어 테스트 SPEC 만족 여부 ○ Ｘ Ｘ Ｘ
결과 (사진) 도 7, 도 8 도 9 도 10 도 11
또한, 실시예 1 및 비교예 1~3의 범퍼빔을 적용한 RCAR 배리어 테스트(저속 범퍼 배리어 충돌) 후, 범퍼빔의 손상 정도를 도 7 내지 도 11에 나타내었다.
상기 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이 본 발명 실시예 1의 범퍼빔은 RCAR 배리어 테스트에서도 빔의 손상이 발생하지 않았다. 이를 통해, 본 발명 실시예 1의 범퍼빔은 크랙 발생 방지 효과 및 내충격성이 우수함을 확인하였다.
반면, 도 9 내지 도 11에 나타난 바와 같이 섬유적층체를 포함하지 않은 비교예 1(도 9), 외측에 포함하는 비교예 2(도 10) 및 빔본체 중앙에 포함하는 비교예 3(도 11)의 범퍼빔은 RCAR 배리어 테스트에서 범퍼빔의 크랙이 발생함을 확인하였다. 이와 같이 범퍼빔에 크랙이 발생한 비교예 1 내지 3의 범퍼빔은 RCAR 배리어 테스트의 SPEC을 만족하기 어려움을 알 수 있었다.
10: 범퍼빔
20: 크래쉬 박스
30: 에너지 업소버
40: 스테이
50: 범퍼 커버
100: 빔본체
110: 섬유적층체
101: 탄소섬유층
102: 유리섬유층
200: 크래쉬 박스 설치용 부재
0˚: 0˚방향
90˚: 90˚방향
IN: 곡률내측

Claims (11)

  1. 곡률을 갖고, 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하고,
    상기 빔본체는 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 형성된 섬유적층체를 포함하며,
    상기 섬유적층체는 1층 이상의 0°방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90°방향 유리섬유층이 교호적층된 것인 자동차용 범퍼빔.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유층 또는 유리섬유층은 일방향으로 배열된 섬유에 매트릭스 수지가 예비함침 또는 코팅된 프리프레그이고,
    상기 매트릭스 수지는 에폭시 수지, 폴리에테르케톤 수지, 폴리에테르에테르케톤 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지 및 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 중 1종 이상을 포함하는 것인 자동차용 범퍼빔.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프리프레그는 매트릭스 수지 20 중량% 내지 50 중량% 및 탄소섬유 또는 유리섬유 50 중량% 내지 80 중량%를 포함하고, 하나의 프리프레그의 두께는 0.15 mm 내지 0.50 mm 인 자동차용 범퍼빔.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유적층체는 양면 최외층이 모두 탄소섬유층으로 이루어진 것인 자동차용 범퍼빔.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 섬유적층체는 두께가 1.5 mm 초과 내지 7 mm 이하인 것인 자동차용 범퍼빔.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 범퍼빔은 상기 빔본체의 길이방향 양단부에 크래쉬 박스 설치용 부재가 형성된 것인 자동차용 범퍼빔.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 크래쉬 박스 설치용 부재는 상측 및 하측에 곡률의 내측방향으로 돌출된 플랜지가 구비된 것인 자동차용 범퍼빔.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 크래쉬 박스 설치용 부재는 상기 빔본체와 대응되는 곡률을 갖고,
    상기 크래쉬 박스 설치용 부재의 내측 또는 외측 표면에 돌출되는 리브(rib)를 하나 이상 포함하는 자동차용 범퍼빔.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 범퍼빔;
    상기 범퍼빔의 양단부에 마운팅되는 크래쉬 박스;
    상기 범퍼빔의 전방에 구비되는 에너지 업소버; 및
    상기 범퍼빔의 양측 후방에 설치되어 범퍼 시스템을 차체 프레임에 고정하는 스테이; 를 포함하는 자동차용 범퍼 시스템.
  10. 곡률 가공되어 곡률의 내측으로 개방된 'ㄷ'형 단면상을 갖는 빔본체를 포함하는 범퍼빔을 준비하는 단계; 및
    상기 빔본체의 'ㄷ' 형 단면상의 개방부 내측에 1층 이상의 0˚방향 탄소섬유층 및 1층 이상의 90˚방향 유리섬유층을 포함하는 섬유적층체를 프레스 접착하는 단계; 를 포함하는 자동차용 범퍼빔 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프레스 접착하는 단계는
    하나의 0˚방향 탄소섬유층의 일면에 90˚방향 유리섬유층 및 다른 0˚방향 탄소섬유층을 교호적층하는 것을 1회 이상 반복하여, 양면 최외층에 모두 0˚방향 탄소섬유층이 형성된 섬유적층체를 제조하는 것을 포함하는 자동차용 범퍼빔 제조 방법.
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